多功能水下自走式監(jiān)測系統(tǒng)的引進(jìn)與應(yīng)用

鄧鵬鑫，王銀堂，王磊之，劉 勇，崔婷婷，胡慶芳

（南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029）

多功能水下自走式監(jiān)測系統(tǒng)的引進(jìn)與應(yīng)用

鄧鵬鑫，王銀堂，王磊之，劉 勇，崔婷婷，胡慶芳

（南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210029）

介紹德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心最新研發(fā)的多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)，分析主要結(jié)構(gòu)和功能，通過試點(diǎn)水庫的應(yīng)用，驗(yàn)證設(shè)備及核心部件的適宜性，經(jīng)過二次開發(fā)，構(gòu)建能適應(yīng)我國特點(diǎn)的在線水下地形、水環(huán)境、水工結(jié)構(gòu)等監(jiān)測與分析系統(tǒng)。設(shè)備試運(yùn)行結(jié)果表明：該設(shè)備具有體積小、分辨率高、開放性好、操作靈活、適宜性強(qiáng)的特點(diǎn)，可在水下不同位置懸停，以穩(wěn)定測定不同水深處的水質(zhì)、水溫等參數(shù)，可快速生成水質(zhì)（溶解氧、硝酸鹽等）及水溫、水下地形三維結(jié)構(gòu)圖，較好地反映出水域監(jiān)測信息的立體分布情況。

水下自走式 ；監(jiān)測系統(tǒng)；ExAUV；水質(zhì)；水下地形；水溫

0 引言

流域水資源現(xiàn)代化管理是水利現(xiàn)代化的重要組成部分，也是水資源利用全過程嚴(yán)格管理的核心之一，這需要先進(jìn)的水文水資源監(jiān)測與分析技術(shù)作為基礎(chǔ)支撐和保障[1]。水利現(xiàn)代化進(jìn)程對(duì)大型水域全方位主體信息的監(jiān)測提出新的需求，使得融合現(xiàn)代電子、傳感、通信和計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的水下自走式監(jiān)測設(shè)備日新月異。當(dāng)前國際上較先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備有：美國海軍研制的 AUV-AUSS 水下自走潛水器[2]、歐盟“Ferry Box”技術(shù)開發(fā)的自動(dòng)水質(zhì)測量系統(tǒng)[3-4]、德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心（Fraunhofer ISOB-ASTB）開發(fā)的多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)等[5]。我國重大科技項(xiàng)目“CR-01”6 000 m 自走水下機(jī)器人在關(guān)鍵技術(shù)上取得了成功突破[6]，但目前處于初試階段，因其體型大，投入成本高，推廣使用方面尚不完善[7-8]。國內(nèi)水文水資源監(jiān)測領(lǐng)域在便攜式監(jiān)測技術(shù)方面以手持設(shè)備居多，多為單點(diǎn)采樣，在反映數(shù)值分布時(shí)，采樣點(diǎn)的疏密往往不滿足測試要求，尚未見能夠針對(duì)水情、水質(zhì)實(shí)時(shí)多方位監(jiān)測的水下自走監(jiān)測設(shè)備。具備高分辨率、全方位立體監(jiān)測多功能為一體的水下自走式監(jiān)測設(shè)備是未來發(fā)展的趨勢。

為構(gòu)建能適應(yīng)我國特點(diǎn)的水下地形、水環(huán)境、水工結(jié)構(gòu)等的監(jiān)測與分析系統(tǒng)，引進(jìn)了德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心最新研發(fā)的多功能水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)（以下簡稱監(jiān)測與分析系統(tǒng)）。監(jiān)測與分析系統(tǒng)集水質(zhì)監(jiān)測多功能于一體，可全方位、立體展示水域的水溫和水質(zhì)等分布情況。通過引進(jìn)和二次開發(fā)，可為流域的防災(zāi)減災(zāi)及水利工程的安全運(yùn)行、水質(zhì)水量聯(lián)合調(diào)度提供支撐。

1 監(jiān)測與分析系統(tǒng)功能簡介

1.1 組成

1.1.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)主要由以下 4 部分組成（如圖 1 所示）：

1）中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)實(shí)為終端控制計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)用戶操作指令及數(shù)據(jù)的收發(fā)和存儲(chǔ)。

2）自走式潛水器（ExAUV）。ExAUV 設(shè)備尺寸為 850 mm×550 mm×450 mm，搭載 GPS 定位系統(tǒng)、水下攝像裝置、動(dòng)力推進(jìn)器、壓力傳感器、超聲波測深儀，以及水溫、水質(zhì)傳感器等部件。

圖 1 設(shè)備組成

GPS 定位系統(tǒng)除提供設(shè)備前進(jìn)方位及左右轉(zhuǎn)角外，還提供水面測試點(diǎn)的經(jīng)緯度信息，不僅對(duì)設(shè)備起到導(dǎo)航控制的作用，也為數(shù)據(jù)采集提供地理坐標(biāo)；水下攝影裝置提供水下影像，可直接辨別水利工程水下結(jié)構(gòu)及地形狀況；壓力傳感器通過水壓值獲取ExAUV 下潛深度；超聲波測深儀可提供設(shè)備不同下潛深度位置處的水深；水溫、水質(zhì)傳感器提供水溫、水質(zhì)參數(shù)。設(shè)備支持可擴(kuò)展，除攜帶當(dāng)前已有的傳感器外，還可根據(jù)用戶需求增加相應(yīng)傳感器。

3）光纖連接系統(tǒng)。光纖連接系統(tǒng)為長約 1 km的光纜，既是監(jiān)測數(shù)據(jù)及操作指令傳輸?shù)妮d體，也是連接中央控制系統(tǒng)與 ExAUV 的橋梁。

4）電池組系統(tǒng)。配備可拆卸充電電池，安裝在ExAUV 內(nèi)部，可提供連續(xù) 6 h 以上續(xù)航。

四大硬件系統(tǒng)通過線纜相互連接構(gòu)成統(tǒng)一整體，具體連接示意圖如圖 2 所示。

1.1.2 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)核心為嵌入式控制系統(tǒng)，基于 C++ 底層開發(fā)，框架采用德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心自行研制的 ConSys 控制系統(tǒng)。ConSys 系統(tǒng)具有強(qiáng)大的模塊化通信控制功能，支持可擴(kuò)展，允許為特定應(yīng)用設(shè)立獨(dú)立控制模塊，具有開放性強(qiáng)、控制性好、功能模塊化等特點(diǎn)。

ConSys 系統(tǒng)共分為以下 3 個(gè)層次：1）服務(wù)層。依托于操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件底層服務(wù)功能。

圖 2 硬件連接示意圖

2）中間層。包含基礎(chǔ)通信工具包、配置處理、多線程、信息記錄等模塊，以及其他通信配置類基礎(chǔ)模塊，為上層（應(yīng)用層）提供通信服務(wù)。3）應(yīng)用層。為設(shè)備導(dǎo)航、數(shù)據(jù)監(jiān)測及任務(wù)管理提供具體應(yīng)用實(shí)例，包含局域網(wǎng)絡(luò)通信庫、信息解譯庫、任務(wù)管理庫、導(dǎo)航控制庫、數(shù)據(jù)過濾庫和操作控制庫等多個(gè)應(yīng)用庫[5]。 整個(gè)控制系統(tǒng)框架如圖 3 所示。

圖 3 控制系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)軟件采用 JavaScript 實(shí)現(xiàn)軟件接口模塊設(shè)置，支持二次開發(fā)，通過更改相關(guān) JavaScript 代碼，不僅可實(shí)現(xiàn)用戶界面?zhèn)€性化設(shè)置，還可按需要更改監(jiān)測數(shù)據(jù)接收的信道、數(shù)據(jù)名稱、格式及讀取頻次，讀取頻次最小可達(dá)毫秒級(jí)。

用戶界面是軟件系統(tǒng)的外在表現(xiàn)，顯示通信指示燈、方位指示計(jì)、電池組部件、導(dǎo)航定位部件、水質(zhì)水情信息部件（RS-232 和 RS-485）、數(shù)據(jù)記錄部件、攝像裝置等。界面信息體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如電池組部件顯示當(dāng)前電池元件的工作狀態(tài)；導(dǎo)航定位部件顯示 ExAUV 設(shè)備當(dāng)前 GPS 定位、下潛深度及三維走向，用戶可依據(jù)方位指示計(jì)控制設(shè)備前進(jìn)方向；攝像裝置提供水下攝像信息，通過亮度設(shè)置幫助提升水下影像質(zhì)量；水質(zhì)水深信息部件可實(shí)時(shí)顯示電導(dǎo)率、溶解氧、硝酸鹽、銨鹽、pH、水溫及水深等指標(biāo)信息。

軟硬件系統(tǒng)的底層通信是軟件系統(tǒng)的內(nèi)在表現(xiàn)，特別是 ExAUV 設(shè)備與中央控制系統(tǒng)的信道連接。軟件系統(tǒng)在潛水器和控制系統(tǒng)之間創(chuàng)建軟件橋，從控制系統(tǒng)傳輸命令到 ExAUV，同時(shí)接收ExAUV 的反饋信息。中央控制系統(tǒng)上安裝有地理信息系統(tǒng) QGIS，可對(duì)接 ExAUV 設(shè)備采集到的水質(zhì)、水深數(shù)據(jù)，形成二維或三維數(shù)值分布結(jié)構(gòu)圖。

1.2 監(jiān)測性能

ExAUV 設(shè)備具有水質(zhì)、水溫和水深監(jiān)測性能，設(shè)備所攜帶的 7 種傳感器包括 5 種水質(zhì)（電導(dǎo)率、溶解氧、硝酸鹽、銨鹽、pH）傳感器、水溫傳感器及超聲波測深儀，具體參數(shù)如表 1 所示。

表 1 傳感器參數(shù)

5 種水質(zhì)傳感器采用電極法生產(chǎn)，涵蓋石墨電極（電導(dǎo)率）、Clark 氧電極（溶解氧）、離子選擇電極（硝酸鹽、銨鹽）、玻璃電極（pH）；水溫傳感器采用熱敏電阻式傳感器；超聲波測深儀則基于聲波反射原理測距。各傳感器可承受的最大水壓在 10 bar（100 m 水深）以內(nèi)，適宜溫度以 0～50℃ 為宜，且測試分辨率較高。

1.3 操作運(yùn)行

系統(tǒng)運(yùn)行要進(jìn)行設(shè)備組裝和調(diào)試。首先進(jìn)行硬件連接；然后對(duì) ExAUV 設(shè)備和中央控制系統(tǒng)的通信進(jìn)行調(diào)試，保證通信正常；再對(duì) ExAUV 進(jìn)行水中平衡測試，以保證設(shè)備水平緩慢勻速上??；平衡測試結(jié)束后，需對(duì)水質(zhì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，減少測試誤差；校準(zhǔn)結(jié)束后方可進(jìn)行水下作業(yè)。

ExAUV 設(shè)備在前、后、左、右、上、下共配備6 個(gè)推進(jìn)器螺旋槳，能夠?qū)崿F(xiàn) 6 個(gè)自由度方向的推進(jìn)，可懸停于水面下任意位置。用戶通過控制手柄按鈕啟動(dòng)推進(jìn)器，可控制 ExAUV 設(shè)備前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)、上升和下潛，還可控制在水下不同位置懸停，以穩(wěn)定測定不同水深處的相關(guān)水質(zhì)、水溫等參數(shù)。

2 測試應(yīng)用

2.1 試點(diǎn)概況

分別選擇金牛山和日照 2 個(gè)水庫壩體段作為試點(diǎn)進(jìn)行測試應(yīng)用。金牛山水庫位于南京市六合區(qū)東北低山丘陵區(qū)，滁河支流八百河上游，總庫容 9 315 萬m3，集水面積 124.14 km2，灌溉面積 0.67 萬hm2，兼顧養(yǎng)殖。庫區(qū)整體水質(zhì)較好，水體溶解氧處于 5.5～11.4 mg/L 之間，氨氮約 0.13～0.25 mg/L，pH 介于7.0～7.9 之間，全湖區(qū)水質(zhì)指標(biāo)均值達(dá) II 類水標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。

日照水庫地處傅疃河中上游，總庫容 3.180 5 億m3，控制面積 548 km2，為大（二）型水庫，集防洪、灌溉于一體，并逐步發(fā)揮養(yǎng)殖、發(fā)電、供水等綜合效益。庫區(qū)水體水質(zhì)較好，全年水體溶解氧約 6.5～12.5 mg/L，pH 約 7.5～8.6，硝酸鹽約 1.0～10.0 mg/L，滿足 II 類水標(biāo)準(zhǔn)[11-14]。

2.2 測試方案

ExAUV 設(shè)備采用 GPS 系統(tǒng)，水面測量點(diǎn)定位準(zhǔn)確。但在水下監(jiān)測時(shí)，隨著下潛深度的加大，容易造成 GPS 信號(hào)丟失。故針對(duì)同一測試斷面上不同水深點(diǎn)的數(shù)據(jù)監(jiān)測采用圖 4 的監(jiān)測方案進(jìn)行。

圖 4 測試方案示意圖

圖 4 中，每隔數(shù)米布設(shè)下潛樁號(hào)，如 #1～#20，在每個(gè)下潛樁號(hào)點(diǎn)，沿縱向垂直均勻下潛，在水下不同位置懸停 1～2 min，以穩(wěn)定測量不同水深處的相關(guān)水質(zhì)、水溫等參數(shù)，監(jiān)測點(diǎn)參考水面點(diǎn)利用GPS 測定坐標(biāo)。

本次測試金牛山水庫每隔 10 m，設(shè) 8 個(gè)測試斷面，每下潛 1 m 布設(shè) 1 個(gè)測量點(diǎn)；日照水庫大約每隔 10 m，設(shè) 5 個(gè)測試斷面，每下潛 3 m 布設(shè) 1 個(gè)測量點(diǎn)，如 #11～#206。最后綜合測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)，繪制水面水下不同層面參數(shù)結(jié)構(gòu)圖。

2.3 結(jié)果分析

利用 ExAUV 設(shè)備完成金牛山和日照 2 個(gè)水庫壩體區(qū)段水體水溫、水質(zhì)（溶解氧、硝酸鹽等）、水深的試點(diǎn)監(jiān)測。依據(jù)不同測區(qū)地理環(huán)境及水質(zhì)變化特征，金牛山水庫測量水下地形（水深數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到）及溶解氧分布，日照水庫關(guān)注硝酸鹽分布及水溫分層變化，具體測試結(jié)果如圖 5 所示。

圖 5 測試結(jié)果

圖 5 a 給出了金牛山湖區(qū)河底三維水下地形。由于測試區(qū)靠近壩體，壩體一側(cè)地形較復(fù)雜，起伏較大。隨著壩體向外延伸，地形高程下降較快，最大下降深度可達(dá) 10 m，出現(xiàn)明顯的水下陡坡。當(dāng)遠(yuǎn)離壩體 20 m 外時(shí)，河底高程趨于平整。

圖 5 b 給出了金牛山庫區(qū)溶解氧分層等值圖。由圖可知，溶解氧范圍為 5.30～8.40 mg/L，經(jīng)過與實(shí)測水體指標(biāo)復(fù)核，指標(biāo)變動(dòng)范圍滿足實(shí)際水體情況[9]。不同水深分布上，溶解氧隨水深增加而減少。同一水深面層分布上，溶解氧由壩體向湖心遞減，并在壩體一側(cè)出現(xiàn)高值中心。一方面由于湖中心水體交換頻繁，水質(zhì)含量變化較岸邊快；另一方面可能與岸邊腐殖質(zhì)氧化、固體導(dǎo)熱等因素有關(guān)。

圖 5 c 給出日照水庫水溫分層等值圖。由圖可知，日照水庫水深較大，水溫分層現(xiàn)象明顯。面層最高水溫 25.4℃，底層最高水溫 24.4℃，15 m 水深溫差 1℃，溫度遞減率約 0.67℃/10 m。測區(qū)中心存在水溫低值區(qū)，兩側(cè)則出現(xiàn)水溫高值區(qū)，這與中心水體的熱量交換緩慢有關(guān)。

圖 5 d 反映日照水庫水面硝酸鹽的等值分布。測區(qū)內(nèi)硝酸鹽濃度介于 4.05～4.17 mg/L 之間，數(shù)值變化較小，與實(shí)際水體指標(biāo)值變化相符[11-12]。變化特征與水溫類似，硝酸鹽濃度在測區(qū)中心出現(xiàn)低值，在測區(qū)兩端出現(xiàn)高值。由于兩端水域受人類活動(dòng)影響較大，水體交換頻繁，可能會(huì)導(dǎo)致硝酸鹽濃度偏高。

2.4 應(yīng)用評(píng)估

ExAUV 設(shè)備在水中自走探測，操作靈活，相關(guān)人力、物力投入少，作業(yè)效率高，適宜性強(qiáng)，可實(shí)時(shí)獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，所測數(shù)據(jù)指標(biāo)豐富，涵蓋水深、水溫、溶解氧、硝酸鹽等。不僅監(jiān)測設(shè)備分辨率較高，監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性好，而且數(shù)據(jù)空間分布連續(xù)性較好，擺脫了手持設(shè)備單點(diǎn)測試分布不均的缺點(diǎn)，提高了對(duì)水質(zhì)、水情指標(biāo)的空間解釋能力。

ExAUV 設(shè)備在下潛過程中容易造成 GPS 信號(hào)丟失，特別在風(fēng)浪及流速較大的情況下，設(shè)備水下懸停時(shí)容易發(fā)生偏移，影響測試結(jié)果。在水下環(huán)境復(fù)雜的情況下，有線光纜容易纏繞水下雜物，影響設(shè)備水下正常自走。后續(xù)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，有必要對(duì) GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，以提升水下坐標(biāo)定位性能。

3 結(jié)語

德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用中心研發(fā)的多功能小型水下自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)，通過試點(diǎn)應(yīng)用驗(yàn)證了其在我國水庫地區(qū)的適宜性。系統(tǒng)雖具有水下 GPS 信號(hào)丟失及光纜纏繞雜物等缺點(diǎn)，但其集合先進(jìn)的控制系統(tǒng)、監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)分析功能及友好的用戶界面，具有體積小，操作靈活，監(jiān)測性能好，作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn)。引進(jìn)自走式監(jiān)測與分析系統(tǒng)有助于促進(jìn)完善和提高我國水下監(jiān)測與分析方面的水平，可提升我國在水下自走監(jiān)測領(lǐng)域的研發(fā)和軟硬件集成能力。

今后需針對(duì)應(yīng)用測試的不足，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)改進(jìn)，并分別在水庫、河流、湖泊等不同水域進(jìn)行測試比較分析，全面驗(yàn)證系統(tǒng)的適用性，進(jìn)一步提高水下自走監(jiān)測能力。

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Introduction and Application of Multi-function Self-propelled

Underwater Monitoring Vehicle System DENG Pengxin, WANG Yintang, WANG Leizhi, LIU Yong, CUI Tingting, Hu Qingfang
(State Key Laboratory of Hydrology, Water Resources and Hydraulic Engineering and Science, Nanjing 210029, China)

The article introduces the latest multi-function self-propelled underwater monitoring vehicle system, which is developed by the Fraunhofer Institute of Advanced System Technology Branch, and analyzes its main structure and functions. By the application of the vehicle in reservoir the suitability of its main components is verified. Then it is constructed to the national underwater topography, water environment and hydraulic structure monitoring online system through re-developing. The application results indicate that the vehicle has the advantages of small volume, high resolution, good openness, flexible operation, strong adaptability, and it can stay at any depths of water to receive the data. The vehicle can generate three-dimensional contour map of temperature, underwater topography and water quality indexes including the dissolved oxygen, nitrate and so on. It is better to reflect the distribution of monitoring data.

underwater vehicle; monitoring system; ExAUV; water quality; underwater topography; water temperature

P33

A

1674-9405(2015)03-0037-05

2015-02-02

水利部 948 項(xiàng)目 (201302)；水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 (Y512010)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目 (201301075)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目 (Y513002)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目“水生態(tài)文明建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(201401003)。

鄧鵬鑫（1988－），男，福建建甌人，碩士研究生，主要從事水文水資源方面的研究。